大伙房水庫不良地段圍巖變形特征與加固研究

崔文艷，于志華，宋 建，楊 昊

（東北大學(xué)資源與土木學(xué)院，遼寧 沈陽 110004）

大伙房水庫輸水工程，是一項具世界性的大型輸水工程，由于其復(fù)雜的地質(zhì)條件及發(fā)育的斷裂構(gòu)造，巖石嚴(yán)重風(fēng)化，存在引發(fā)危機(jī)人身、財產(chǎn)、工程或環(huán)境安全的事件，處理不好將成為地質(zhì)災(zāi)害，因此對圍巖穩(wěn)定性的分析及其變形特征與加固研究的進(jìn)行是十分必要的[1]。

而MIDAS/GTS強(qiáng)大的實體建模能力可以快速精確地模擬復(fù)雜的隧洞結(jié)構(gòu)，通過功能完善的網(wǎng)格劃分工具即可生成理想的三維有限元網(wǎng)格，并且其計算精度和速度也很高。本文應(yīng)用MIDAS/GTS軟件選取大伙房水庫樁號為27+500 m附近不良地質(zhì)洞段進(jìn)行數(shù)值模擬，通過分析其應(yīng)力場特征和位移特征討論其圍巖的穩(wěn)定性特征，同時提出可靠的加固措施。

MIDAS/GTS的一般操作流程：建立幾何模型→劃分網(wǎng)格→設(shè)定分析條件→分析→查看結(jié)果。

1 計算模型的建立

1.1 物理力學(xué)參數(shù)的確定

依照地質(zhì)勘察以及工程設(shè)計，圍巖分類采用GB50287-99《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄P“圍巖工程地質(zhì)分類”；具體實驗由遼寧省水利水電規(guī)劃總院實驗室完成，可將該區(qū)域圍巖定為Ⅴ類，圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

根據(jù)隧洞圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，采用了彈塑性的非線性有限元法，圍巖的本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb模型，模擬隧洞與地層在開挖過程中的非線性變形特性。根據(jù)地質(zhì)資料材料說明，此段巖體幾條較大規(guī)模的斷層和節(jié)理裂隙對圍巖穩(wěn)定有較大的影響。對于錨桿，往往采用桿單元進(jìn)行模擬，噴射混凝土采用板單元進(jìn)行模擬。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

1.2 模型的建立

本工程屬于深埋長大隧洞,采用有限元法進(jìn)行三維仿真計算,為了使計算模型更接近實際,圍巖模型高度取6倍洞徑、寬度取8倍洞徑,洞徑8.0 m TBM成洞直徑8 m，其幾何尺寸 （長×寬×高）為50 m×64 m×48 m，利用自動劃分網(wǎng)格規(guī)則生成Tetra形態(tài)的三維網(wǎng)格。計算模型的邊界條件為：底面為豎向約束，四周圍巖外邊界面為垂直圍巖面法向約束，上邊界為荷載自由邊界，根據(jù)上部覆土的厚度轉(zhuǎn)化成均勻荷載施加壓力。

2 圍巖穩(wěn)定性分析

圍巖穩(wěn)定是隧道安全運(yùn)行的基本條件，如何維持隧道圍巖穩(wěn)定是隧道工程中最基本的問題之一。圓形洞室開挖后，使原來處于擠壓狀態(tài)的圍巖失去支撐而向洞內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的回彈變形，如果這種變形超過了圍巖本身所能承受的能力，則圍巖就要發(fā)生破壞。下面通過圍巖的應(yīng)力場和位移場，得出該區(qū)域加固前圍巖變形特征[2-4]。

2.1 圍巖應(yīng)力分析

圖1 加固前圍巖第一主應(yīng)力

從加固前圍巖第一主應(yīng)力云圖（如圖1所示）可以看出，隧道的開挖破壞了巖體原有的相對應(yīng)力平衡狀態(tài)，在洞周圍出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，引起了應(yīng)力重分布。在拱頂和隧底附近均出現(xiàn)了很小范圍的壓應(yīng)力，最大值為11.61 MPa，分布在隧頂部位，而且在洞室兩側(cè)，洞周最大壓應(yīng)力值逐步增加，在模型中間部位壓應(yīng)力最大。壓力太大使圍巖極其不穩(wěn)定，容易引起圍巖坍塌。因此，施工過程中應(yīng)及時施作仰拱，采取有效的加固措施，使隧道開挖面形成封閉承載環(huán)，提高隧道的穩(wěn)定性。

2.2 圍巖位移分析

從加固前Z方向位移圖（如圖1所示）可以看出，Z方向的位移最大值高大12.46 mm，中局部收斂變形較大，發(fā)生塑性變形，嚴(yán)重影響了圍巖的穩(wěn)定性，應(yīng)及時進(jìn)行圍巖的變形監(jiān)測并進(jìn)行加固分析，使圍巖變形漸趨穩(wěn)定。

3 變形監(jiān)測與加固分析

TBM1施工段共有3處不良地質(zhì)段，尤以樁號27+500附近的不良地質(zhì)洞段最為嚴(yán)重，經(jīng)臨時監(jiān)控量測結(jié)果顯示初期支護(hù)后，拱腳部位發(fā)生嚴(yán)重扭曲，且頂拱噴混凝土出現(xiàn)部分掉塊現(xiàn)象，圍巖局部收斂變形較大，發(fā)生了塑性變形，在該斷面附近仰拱隆起高度高達(dá)82.4 mm。為準(zhǔn)確檢測圍巖變形，TBM1施工段在每個觀測斷面布置3套多點位移計以監(jiān)測輸水洞圍巖變形情況,多點位移計分別埋設(shè)在頂拱和洞室腰線部位,觀測成果見圖1[5-6]。

圖2 加固前Z方向位移云圖

圖3 27+500斷面拱頂下沉變化曲線

經(jīng)監(jiān)控量測結(jié)果顯示圍巖收斂，加固前圍巖受節(jié)理和斷層的影響，迅速發(fā)生較嚴(yán)重的變形，拱頂下沉位移變化較快幾乎成線性，圍巖極其不穩(wěn)定。另外根據(jù)軟件模擬，利用指數(shù)函數(shù)對模型圍巖拱頂節(jié)點位移的變化進(jìn)行分析，拱頂下沉變化曲線見圖3，與現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)基本相符，也證實的圍巖的不穩(wěn)定性。

為保證洞室穩(wěn)定和人員、設(shè)備安全，遏制塑性大變形的持續(xù)發(fā)展，因此TBM在不良地質(zhì)洞段施工時采取了加固措施：在原有初期支護(hù)基礎(chǔ)上，采取I10工字鋼和φ25鎖腳連接，使鋼拱架形成一個密封的骨架，增加支護(hù)強(qiáng)度；底板澆筑C25混凝土和邊頂拱噴射混凝土連接，形成一個封閉薄殼結(jié)構(gòu)；同時頂拱120°范圍內(nèi)設(shè)置φ25 L=4 m的錨桿，把鋼拱架、噴射混凝土與圍巖連成一個受力體，進(jìn)一步加固圍巖的穩(wěn)定性。

通過加固后檢測圍巖的數(shù)據(jù)，進(jìn)行反分析，再次模擬圍巖的參數(shù)變化，見圖4，可以看出加固后圍巖彈性模量和凝聚力都增加了，幾乎達(dá)到Ⅱ類圍巖的強(qiáng)度。

圖4 加固后圍巖第一主應(yīng)力云圖

加固后根據(jù)監(jiān)控量測成果以及軟件模擬的主應(yīng)力云圖的對比，圍巖最大主應(yīng)力明顯降低，拱頂位移下沉速度也低于0.1 mm/d,圍巖基本穩(wěn)定。所以加固措施有效地阻止了圍巖收斂變形的大幅度增長，并且隨著增設(shè)的錨桿支護(hù)措施使圍巖變形進(jìn)一步得到控制。

4 結(jié)語

1）運(yùn)用大型有限元工程計算軟件MIDAS/GTS分別對大伙房水庫加固前和加固后兩種條件的施工過程進(jìn)行動態(tài)數(shù)值模擬，從而得到隧洞結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和位移規(guī)律，能較好地模擬隧洞開挖后圍巖的變化。

2）及時對不良洞段進(jìn)行監(jiān)控量測,掌握圍巖變形動態(tài)信息,以便判斷支護(hù)措施的合理性,為后期施工支護(hù)參數(shù)的選取以及相應(yīng)的穩(wěn)定措施提供比較準(zhǔn)確的參考。

3）隧洞開挖通過這樣的工程地質(zhì)段，存在著巨大的困難。在遭遇塑性變形等不良地質(zhì)條件的情況下，經(jīng)過現(xiàn)場實踐和各類監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，對這一不良地質(zhì)段洞室?guī)r體的有效加固及處理，消除了涌水與塌方問題，使工程安全優(yōu)質(zhì)地通過了這一不良地質(zhì)段，為整個大伙房水庫輸水工程的預(yù)期完工攻下了一大難關(guān)。

［1］大伙房水庫引水隧洞可行性報告［R］.遼寧省水利水電規(guī)劃設(shè)計院，2004.

［2］孫祥，楊子榮，趙忠英．大伙房水庫輸水隧洞地應(yīng)力場特征［J］．巖土工程技術(shù)，2005（5）：264-267．

［3］王思敬，楊志法，劉竹華．地下工程圍巖穩(wěn)定分析［M］．北京：科學(xué)出版社，1984．

［4］賈金剛，王天佑，李珩，董鋒.大伙房水庫輸水工程圍巖穩(wěn)定性數(shù)值分析［J］.現(xiàn)代礦業(yè)，2010（1）：73-76.

［5］楊勝，黃志文，陳霞.TBM施工隧洞塑性變形圍巖的處理與監(jiān)測分析［J］.東北水利水電，2010（9）：7-9.

［6］張照太，陳竹，馬鵬輝.大伙房引水隧洞不良地質(zhì)洞段圍巖變形監(jiān)測及支護(hù)措施分析［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2007（5）：68-71.